Vì sao cần tăng diện tích tiếp xúc pha trong công nghiệp?

Diện tích tiếp xúc pha lớn giúp tăng cường tốc độ truyền khối và truyền nhiệt, từ đó nâng cao hiệu suất và năng suất của toàn bộ dây chuyền thiết bị hoá chất.

Lý thuyết hai màng của Lewis và Whitman (1924) là gì?

Là mô hình giả định tồn tại hai màng chất lưu tĩnh ở hai bên bề mặt phân cách pha, mọi trở lực truyền khối đều tập trung ở hai lớp màng này.

Làm thế nào để tạo tiếp xúc lỏng - khí hiệu quả?

Người ta thường sục khí vào chất lỏng để tạo bọt, hoặc cho chất lỏng chảy thành màng mỏng trên các vật liệu đệm trong tháp để khí đi qua.

Tiếp xúc pha (phase contact) là gì?

Tiếp xúc pha là sự gặp gỡ và tương tác vật lý trực tiếp giữa hai hoặc nhiều pha khác nhau (như lỏng - khí, lỏng - lỏng, rắn - lỏng, hoặc rắn - khí) để tạo ra bề mặt phân cách pha, qua đó cho phép diễn ra quá trình truyền khối, truyền nhiệt và các phản ứng hoá học đa pha. Quá trình này đóng vai trò cốt lõi và nền tảng trong hầu hết các quy trình và thiết bị thuộc lĩnh vực quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất. Hiệu suất của một quá trình truyền khối hay truyền nhiệt phụ thuộc trực tiếp vào mức độ tiếp xúc giữa các pha, hay nói cách khác là diện tích bề mặt phân cách pha được tạo ra trong thiết bị. Bề mặt tiếp xúc pha càng lớn, cường độ dòng vật chất và dòng nhiệt truyền qua lại giữa các pha càng cao, từ đó nâng cao hiệu quả và năng suất của toàn bộ dây chuyền sản xuất.

Cơ sở lý thuyết của sự tiếp xúc pha và truyền khối

Để hiểu rõ bản chất của sự tiếp xúc pha, các nhà khoa học đã đề xuất nhiều mô hình lý thuyết khác nhau nhằm mô tả cơ chế truyền khối qua bề mặt phân cách pha. Các mô hình này không chỉ giúp giải thích các hiện tượng quan sát được trong thực nghiệm mà còn là nền tảng để tính toán, thiết kế và tối ưu hoá các thiết bị công nghiệp. Ba mô hình lý thuyết kinh điển và quan trọng nhất bao gồm lý thuyết màng kép, lý thuyết thấm sâu và lý thuyết đổi mới bề mặt.

Lý thuyết màng kép (Two-film theory)

Lý thuyết hai màng được đề xuất bởi Lewis và Whitman (1924), là mô hình đơn giản và được ứng dụng rộng rãi nhất trong tính toán kỹ thuật hoá học. Theo lý thuyết này, khi hai pha tiếp xúc với nhau, ở hai bên của bề mặt phân cách pha luôn tồn tại hai lớp màng mỏng tĩnh (hoặc chuyển động dòng chảy tầng) của chất lưu. Quá trình truyền khối đi qua hai màng này chỉ diễn ra theo cơ chế khuếch tán phân tử. Toàn bộ trở lực của quá trình truyền khối được xem như tập trung hoàn toàn ở hai lớp màng này, trong khi ở phần tử trọng tâm của mỗi pha, nhờ có sự khuấy trộn mạnh mẽ (chuyển động chảy rối), trở lực truyền khối được coi là bằng không và nồng độ vật chất đồng đều.

Phương trình truyền khối cơ bản theo lý thuyết màng kép có thể được biểu diễn như sau:

N_A = K_G \cdot (P_A - P_A^*) = K_L \cdot (C_A^* - C_A)

Trong đó: $N_A$ là thông lượng truyền khối (mol trên một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian); $K_G$ và $K_L$ lần lượt là hệ số truyền khối tổng quát pha khí và pha lỏng; $P_A$ là áp suất riêng phần của cấu tử chuyển khối trong pha khí; $P_A^*$ là áp suất riêng phần cân bằng tương ứng với nồng độ pha lỏng; $C_A$ là nồng độ của cấu tử trong pha lỏng; và $C_A^*$ là nồng độ cân bằng tương ứng với áp suất pha khí. Lý thuyết này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc làm mỏng lớp màng (tăng mức độ nhiễu loạn) để tăng hệ số truyền khối.

Lý thuyết thấm sâu (Penetration theory)

Mặc dù lý thuyết hai màng rất hữu ích, nó giả định quá trình truyền khối ở trạng thái ổn định, điều này không phải lúc nào cũng đúng trong thực tế, đặc biệt là trong các tháp đệm hoặc tháp mâm nơi bề mặt tiếp xúc liên tục được tạo ra và phá huỷ. Mô hình thấm sâu do Higbie đề xuất nhằm khắc phục nhược điểm này. Lý thuyết của Higbie giả định rằng các phần tử chất lưu từ vùng lõi liên tục di chuyển đến bề mặt phân cách pha, tiếp xúc với bề mặt này trong một khoảng thời gian ngắn, hấp thụ hoặc nhả chất, rồi sau đó lại bị thay thế bởi các phần tử mới.

Trong thời gian tiếp xúc ngắn ngủi này, quá trình truyền khối xảy ra dưới dạng khuếch tán không ổn định theo định luật Fick thứ hai. Hệ số truyền khối cục bộ pha lỏng theo lý thuyết thấm sâu được biểu thị qua công thức:

k_L = 2 \cdot \sqrt{\frac{D_{AB}}{\pi \cdot t_e}}

Trong đó: $k_L$ là hệ số truyền khối cục bộ pha lỏng; $D_{AB}$ là hệ số khuếch tán phân tử của chất A trong dung môi B; và $t_e$ là thời gian tiếp xúc của phần tử chất lưu tại bề mặt phân cách pha. Mô hình này cho thấy hệ số truyền khối tỉ lệ với căn bậc hai của hệ số khuếch tán, thay vì tỉ lệ thuận như trong lý thuyết màng kép, và điều này thường phù hợp với dữ liệu thực nghiệm hơn trong nhiều hệ thống.

Lý thuyết đổi mới bề mặt (Surface renewal theory)

Danckwerts (1951) đã phát triển thêm lý thuyết thấm sâu của Higbie bằng cách nhận ra rằng không phải tất cả các phần tử chất lưu đều có cùng một thời gian tiếp xúc trên bề mặt phân cách pha. Trong các thiết bị công nghiệp có mức độ chảy rối cao, các phần tử bị xáo trộn một cách ngẫu nhiên. Danckwerts đề xuất việc sử dụng một hàm phân bố thời gian lưu, và đưa ra hệ số đổi mới bề mặt cục bộ. Phương trình hệ số truyền khối được điều chỉnh lại như sau:

k_L = \sqrt{D_{AB} \cdot s}

Trong phương trình này: $s$ là phần trăm bề mặt bị thay mới trong một đơn vị thời gian (tần suất đổi mới bề mặt). Mô hình này rất phù hợp để mô tả các quá trình truyền khối trong điều kiện chảy rối mạnh, nơi sự xáo trộn bề mặt liên tục phá vỡ lớp màng tĩnh và tăng cường đáng kể tốc độ truyền chất.

Động lực học quá trình và diện tích bề mặt phân cách pha

Một trong những thông số cốt lõi khi khảo sát sự tiếp xúc pha là diện tích bề mặt tiếp xúc pha riêng (specific interfacial area). Đây là đại lượng cho biết diện tích bề mặt phân cách giữa hai pha trên một đơn vị thể tích của thiết bị. Khả năng thiết kế một thiết bị hiệu quả phần lớn nằm ở việc tối đa hoá đại lượng này mà không làm tăng quá mức tổn thất áp suất (pressure drop) của dòng chảy.

Tổng lượng vật chất truyền qua bề mặt tiếp xúc pha trong toàn bộ thiết bị được tính bằng tích phân của thông lượng truyền khối trên toàn bộ diện tích bề mặt phân cách:

W = \int K \cdot \Delta C \cdot dF

Trong đó: $W$ là tổng lượng vật chất được truyền (năng suất truyền khối); $K$ là hệ số truyền khối; $\Delta C$ là động lực truyền khối (sự chênh lệch nồng độ so với trạng thái cân bằng); và $dF$ là vi phân diện tích bề mặt tiếp xúc pha. Trong thực tế tính toán thiết bị, diện tích tiếp xúc thực tế rất khó xác định chính xác do sự biến động hình thái của giọt lỏng, bọt khí và màng lỏng, do đó người ta thường ghép hệ số truyền khối với diện tích bề mặt tiếp xúc pha riêng thành một cụm thông số duy nhất gọi là hệ số truyền khối thể tích.

K_v = K \cdot a

Trong đó: $K_v$ là hệ số truyền khối thể tích; và $a$ là diện tích bề mặt phân cách pha trên một đơn vị thể tích thiết bị. Việc tối ưu hoá cụm $K_v$ chính là mục tiêu thiết kế của các kỹ sư công nghệ hoá chất.

Các phương thức tiếp xúc pha phổ biến

Tuỳ thuộc vào trạng thái tập hợp của các chất tham gia quá trình, có thể phân loại các dạng tiếp xúc pha cơ bản như sau:

Tiếp xúc lỏng - khí và lỏng - hơi

Đây là phương thức tiếp xúc phổ biến nhất, ứng dụng trong các quá trình chưng cất, hấp thụ, giải hấp và làm ẩm. Để tạo sự tiếp xúc tốt nhất, người ta thường phân tán pha khí dưới dạng bọt sục vào pha lỏng liên tục, hoặc tạo màng pha lỏng mỏng chảy trên bề mặt đệm trong khi pha khí chuyển động ngược chiều hoặc cùng chiều. Sự tiếp xúc giữa hơi và lỏng trong quá trình chưng cất là ví dụ điển hình của quá trình truyền khối hai chiều, nơi các cấu tử nhẹ đi từ lỏng vào hơi và các cấu tử nặng đi từ hơi vào lỏng, kèm theo sự truyền nhiệt mãnh liệt do nhiệt ẩn hoá hơi.

Tiếp xúc lỏng - lỏng

Trong quá trình trích ly lỏng - lỏng, hai dung môi không hoà tan vào nhau được cho tiếp xúc để tách các chất tan. Thông thường, một dung môi sẽ đóng vai trò pha liên tục, còn dung môi kia đóng vai trò pha phân tán dưới dạng các giọt nhỏ bé. Do chênh lệch khối lượng riêng giữa hai pha lỏng thường nhỏ hơn nhiều so với hệ lỏng - khí, sự phân tách pha bằng trọng lực diễn ra chậm hơn và đòi hỏi thời gian lưu lớn hơn. Các thiết bị trộn - lắng (mixer-settler) hoặc các tháp chêm, tháp mâm chóp thường được ứng dụng để tăng cường tạo giọt và phá giọt liên tục.

Tiếp xúc rắn - lưu chất

Phương thức này gặp trong các quá trình trích ly rắn - lỏng (lixiviation), hấp phụ (adsorption), sấy khô (drying) và kết tinh (crystallization). Bề mặt tiếp xúc pha ở đây là bề mặt của các hạt chất rắn tiếp xúc trực tiếp với pha lỏng hoặc khí. Động lực học của quá trình phụ thuộc nhiều vào độ xốp của hạt rắn, cấu trúc mao quản, hệ số khuếch tán nội (trong lòng hạt) và khuếch tán ngoại (từ bề mặt hạt vào khối chất lưu). Lớp sôi (fluidized bed) là một trong những giải pháp công nghệ hiệu quả để tăng cường diện tích bề mặt tiếp xúc pha giữa hạt rắn và dòng lưu chất.

Các loại thiết bị tạo tiếp xúc pha chính trong công nghiệp

Để hiện thực hoá sự tương tác giữa các pha trong quy mô công nghiệp, nhiều loại thiết bị đã được phát triển với cấu tạo đặc thù, nhằm mục đích tăng cường bề mặt phân cách pha, cải thiện hệ số truyền khối và duy trì sự ổn định thuỷ động lực học.

Thiết bị tháp đệm (Packed columns): Thiết bị này chứa đầy các vật liệu đệm (packing) như vòng Raschig, yên ngựa Berl, hoặc các lớp đệm có cấu trúc (structured packing). Chất lỏng được phân phối từ trên xuống, chảy dọc theo bề mặt đệm tạo thành màng lỏng, trong khi khí đi từ dưới lên. Bề mặt phân cách pha chính là bề mặt màng lỏng bao phủ các phần tử đệm. Tháp đệm có ưu điểm là trở lực thấp và có thể xử lý các chất lưu có tính ăn mòn.
Thiết bị tháp mâm (Tray columns): Bao gồm tháp mâm chóp, tháp mâm lỗ, và tháp mâm van. Chất lỏng chảy ngang qua các mâm đục lỗ hoặc có van, trong khi khí sục từ dưới lên xuyên qua lớp chất lỏng trên mâm tạo ra vô số bọt khí nhỏ. Quá trình tiếp xúc pha ở đây có tính chất từng bậc (stagewise), mỗi mâm hoạt động như một bậc tiếp xúc lý thuyết.
Thiết bị phản ứng cột sục khí (Bubble columns): Theo tổng quan của Kantarci và cộng sự (2005), thiết bị phản ứng cột sục khí là dạng thiết bị tiếp xúc pha khí - lỏng phổ biến nhờ cấu tạo đơn giản, không có bộ phận chuyển động, khả năng truyền nhiệt và truyền khối tốt với diện tích tiếp xúc pha sinh ra từ việc phân tán các bọt khí nổi qua cột chất lỏng.
Thiết bị trộn - lắng (Mixer-settler): Dành riêng cho hệ lỏng - lỏng. Cánh khuấy tạo lực cắt mạnh mẽ, xé nhỏ pha phân tán thành các giọt li ti trong pha liên tục để tạo bề mặt tiếp xúc khổng lồ. Sau khi quá trình truyền khối kết thúc, hỗn hợp được đưa vào buồng lắng để các pha tự phân tách dưới tác dụng của trọng lực.
Thiết bị tiếp xúc vi kênh (Microchannel contactors): Nghiên cứu tổng quan của Sattari-Najafabadi và cộng sự (2018) chỉ ra rằng kỹ thuật tiếp xúc pha trong vi kênh cho phép đạt diện tích tiếp xúc riêng và hệ số truyền khối lớn hơn đáng kể so với các thiết bị truyền thống, rút ngắn khoảng cách khuếch tán và tăng cường đáng kể cường độ truyền khối liên pha giữa các dòng chất lưu.
Thiết bị tiếp xúc màng (Membrane contactors): Theo đánh giá của Kim và cộng sự (2021), thiết bị tiếp xúc màng khí - lỏng cung cấp diện tích tiếp xúc pha riêng lớn không phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy, khắc phục triệt để các hiện tượng ngập lụt, tạo bọt và cuốn theo giọt thường gặp trong các tháp tiếp xúc truyền thống nhờ màng xốp đóng vai trò phân cách vật lý giữa hai pha.

Yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất và chất lượng tiếp xúc pha

Hiệu suất của bất kỳ hệ thống tiếp xúc pha nào cũng là hàm của nhiều biến số tương tác phức tạp. Việc kiểm soát tốt các biến số này quyết định sự thành công của quy trình kỹ thuật hoá học.

Tính chất vật lý của các hệ chất lưu: Độ nhớt đóng vai trò cản trở sự chuyển động và khuếch tán, làm giảm hệ số truyền khối. Sức căng bề mặt (surface tension) và sức căng liên pha quyết định kích thước bọt khí hoặc giọt lỏng; sức căng càng nhỏ, giọt càng dễ bị xé vụn, dẫn đến diện tích bề mặt phân cách càng lớn. Mật độ (khối lượng riêng) quyết định khả năng phân ly tự nhiên của các pha sau khi tiếp xúc; chênh lệch khối lượng riêng lớn tạo thuận lợi cho sự lắng và tách pha.

Chế độ thuỷ động lực học: Vận tốc dòng chảy của cả hai pha quyết định trạng thái chảy tầng hay chảy rối. Chế độ chảy rối giúp tăng mức độ nhiễu loạn, làm mỏng lớp màng cản trở truyền khối và tăng tần suất đổi mới bề mặt theo lý thuyết của Danckwerts. Tuy nhiên, nếu vận tốc một pha vượt quá giới hạn thiết kế, thiết bị có thể rơi vào trạng thái sặc (flooding), khi pha khí cản trở hoàn toàn sự rơi của pha lỏng, dẫn đến phá vỡ sự tiếp xúc bình thường.

Cấu trúc thiết bị và sự phân phối dòng: Trong tháp đệm, nếu hệ thống phân phối chất lỏng ở đỉnh tháp không tốt, chất lỏng sẽ có xu hướng chảy bám vào thành tháp (wall flow) hoặc tạo thành các dòng chảy tụ (channeling), bỏ trống nhiều vùng vật liệu đệm bên trong. Sự phân bố không đồng đều này làm sụt giảm nghiêm trọng diện tích tiếp xúc pha hữu ích. Tương tự, ở tháp mâm, bề mặt mâm không bằng phẳng có thể làm bọt khí chỉ nổi lên ở một phía, làm giảm mức độ tương tác lỏng - khí.

Ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp công nghệ hoá học

Sự tiếp xúc pha không chỉ là một khái niệm lý thuyết trừu tượng mà là nền tảng của hàng loạt các quy trình công nghiệp quy mô lớn, đóng góp vào sự phát triển của xã hội hiện đại.

Trong công nghiệp dầu khí, tháp chưng cất phân đoạn dầu mỏ dựa hoàn toàn vào sự tiếp xúc liên tục giữa pha hơi bốc lên và pha lỏng chảy xuống ở hàng chục mâm trong tháp, phân tách dầu thô thành xăng, diesel, và các sản phẩm hoá dầu giá trị khác. Khả năng thiết kế tháp với hiệu suất tiếp xúc pha tối ưu quyết định trực tiếp độ tinh khiết của sản phẩm nhiên liệu.

Trong lĩnh vực xử lý môi trường, quá trình hấp thụ khí thải (ví dụ: khử SO2 từ khí thải nhà máy nhiệt điện bằng dung dịch đá vôi) đòi hỏi việc phun dung dịch tạo thành vô số giọt nhỏ để tiếp xúc với lượng lớn khí thải. Bề mặt tiếp xúc pha lớn là yếu tố tiên quyết để đảm bảo khí độc được xử lý đạt chuẩn trước khi thải ra khí quyển.

Đối với công nghệ dược phẩm và sinh học, các lò phản ứng lên men liên tục tạo sự tiếp xúc giữa pha khí (cung cấp oxy) và pha lỏng (chứa vi sinh vật và môi trường dinh dưỡng). Việc thiết kế cánh khuấy đặc biệt giúp tạo ra hệ phân tán khí - lỏng tuyệt hảo, đảm bảo lượng oxy khuếch tán qua bề mặt bọt khí vào dung dịch lỏng luôn đáp ứng đủ nhu cầu hô hấp của tế bào sống, từ đó nâng cao hiệu suất tổng hợp kháng sinh, enzyme hay vaccine.

Như vậy, việc nghiên cứu cơ bản về sự tiếp xúc pha, ứng dụng các lý thuyết truyền khối, và không ngừng cải tiến công nghệ thiết bị là một chuỗi nhiệm vụ không thể thiếu để nâng cao năng lực sản xuất của ngành công nghiệp hoá chất đương đại.